一种超小型中子管的制作方法与流程

本发明属于精密测量仪器技术领域，具体地说，涉及一种超小型中子管的制作方法。

背景技术：

国际上，通常把直径小于30mm的中子管称作微型中子管。公开号为4996017的美国专利，详细地介绍了一种基于潘宁离子源的微型中子管的制作方法，该种方法只能制作直径为28mm—30mm的中子管。该专利公开的中子管，由潘宁离子源、耐高压绝缘密封外壳、氘氚混合自成靶、抑制电极和氘氚混合存储器构成。该潘宁离子源和耐高压绝缘密封外壳直径一样大；耐高压绝缘密封外壳较短，能够承受的高压仅约11万伏；抑制电极固定在耐高压绝缘密封外壳的封接金属管内，其靶面的直径约为11毫米左右。

国内公开号为cn1142448c的微型中子管及其制作方法的专利，对上述美国专利的微型中子管进行的技术改进，通过不等粗的高压绝缘管设计，一方面提高了中子产额，也同时保证了静电高压。它由耐高压绝缘密封壳、潘宁离子源、靶室、加速电极、氢同位素存储器构成。其配备了两个氢同位素储存器，可以一个储存氘气，一个储存氚气，在后期可以重新充入气体，延长中子管的使用寿命。它的潘宁离子源由导磁金属材料做成密封盖和杯状壳、由无磁材料做成的密封管和由导磁材料做成的阴极基体焊在一起。阳极引线、排气管以及氢同位素储存器的引线焊接在密封盖上，由导磁材料做成的杯状壳固定在封接管上，阳极为用无磁材料做成的金属环，它固定在阳极引线上。其阴极基体的内端面上和杯状壳底部靠近阳极的内表面上镀上二次电子发射系数高的金属膜充当阴极。其耐高压绝缘密封壳是由一端粗、一端细的高压绝缘管，封接的两端采用了侧壁为三层结构的粗环型封接金属部件，加速电极、靶室和潘宁离子源分别与不同的封接部件焊接。它的粗环型封接金属部件的外直径比高压绝缘管粗端外直径大6-8mm，预留与专门的中子发生器的外壳内径滑动匹配。粗环形封接金属部件还可以充当潘宁离子源外磁路的一部分。潘宁离子源的阴极接地电位。氢同位素储存器中的一个焊接在所述潘宁离子源内部。靶室由导热性能特别好的金属材料制成的靶基体和抑制电极构成，抑制电极通过陶瓷部件绝缘固定在靶基体上。抑制电极通过靶基体的内部绝缘空道中的导线与供电引线连接在一起。靶基体内端粗、外端细，其内端面的直径略小于高压绝缘管的粗端内直径，其外端面的直径与细环型封接金属部件的内直径滑动匹配。靶基体的外直径接近于高压绝缘管的粗短内直径，其内端面上制有直径与内端面直径略小一点的氢同位素靶膜。靶室侧壁外面装有偏转电子永磁铁，靶室端接地电位。氢同位素储存器焊接在靶基体的外端面上。

现有的微型中子管和加工方法是为了适应石油测井的发生器尺寸，匹配中子发生器而设计，其结构采用一端粗一端细的方式，本质上中子管的尺寸并没有真正的减小，其只是缩小了加速筒下端，靶室部分的尺寸，对于其他的应用不具备普适性。且现有技术的结构过于复杂，使用多层金属环焊接，器件之间叠加，虽然外部增加了磁路空间，保证了离子源引出磁场的强度。同时也固化了中子管的结构，没有改进的空间，无法制作更小直径的中子管。

其采用了双氢同位素储存器设计，虽然部分地提高了中子管的使用寿命，也增加了靶基体周围的器件及发生器电路的复杂度。使得中子的引出只能从侧面引出，无法实现目前活化分析和危险品检测等需要的靶方向引出的能力。

并且现有技术由于其结构复杂，制作工艺难度上升，成本较高，无法满足市场的需要。

技术实现要素：

为了克服背景技术中存在的问题，本发明提供了一种超小型中子管的制作方法，本发明中提到的超小型中子管是指直径可以小于20mm的中子管和制作方法。本发明的方法可以制作直径最小为15mm的中子管。通过专门的工艺制作过程，可以制作直径小于25mm的中子发生器。中子产额大于1x10⁸中子/秒；有效使用寿命大于常温条件下1000小时；抗震性能好，价格易于接受。目前，国内中子应用的领域越来越广，像危险品检测应用以及医学应用等都需要直径更小，结构更简单的中子管和发生器的出现。

为实现上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的：

一种超小型中子管的制作方法，包含以下步骤：

步骤1)按照常规的工艺制作完成电极，排气管，铜头，上面罩，氢同位素储存器，接地柱，由阴极、磁钢、阳极、电子整形环、加速筒和阳极罩构成的离子源，耐高压陶瓷密封绝缘壳部件，靶，下面罩的安装，形成中子管的主体；按照安装顺序，依次把各个部分焊接为一个整体，耐高压陶瓷绝缘密封壳和金属之间需要进行金属化和封接，在中子管靶基体的内表面上制作好靶膜；

步骤2)对中子管主体进行加热排气处理，通过排气管排气时，与排气管连接的真空管道也要同时加热排气；

步骤3)中子管主体加热排气完成以后，将加热温度降至180-200℃，如果需要制作纯氚靶，则进行下两步，否则跳过；

步骤4)采用一套外置加热套管制成的加热环对靶底部的靶基进行加热，该套管将下面罩、以及面罩与陶瓷封接处上部20mm包含在内，采用同一速度进行加热；

步骤5)此时，如果真空计的示数已经接近于排气结束时的真空示数，说明管内的氚气已经被完全吸收；如果真空计示数与排气结束时的真空示数差距较大，则说明中子管内残留的氚气还很多，加热氢同位素储存器，对管内的氚气进行吸收，管内真空会回到排气结束时的状态；氚靶制作完成，备用；

步骤6)停止对靶的加热，整个中子管主体温度降为室温；

步骤7)通过计量真空室，向中子管内注入氘氚混合气体，然后加热氢同位素储存器对氘氚气体进行吸气，吸气饱和后，真空计的标度稳定下来；

步骤8)打开排气系统，将中子管内废气排掉，将真空继续升至10^-7帕的高真空；

步骤9)剪断排气管，将管内真空锁定在10^-7-10^-6帕之间，即制成内含氚靶的成品中子管；

步骤10)如果不需要预制纯氚靶，则在中子管下台以后，进行预定规程的老练过程，将靶炼制成氘氚混合靶，维持稳定的输出产额。

进一步，步骤1)中，排气管焊接之前进行退火处理。

进一步，步骤4)中，靶基加热过程中，中子管停止加热，中子管内的热平衡由系统自然维护；靶基对氚气的吸收是一个渐进的过程，外部加热套的温度与氚气吸收过程是非线性的一个映射，所以氚靶的吸收过程采取一个渐进吸收的方式；当加热套的温度达到400℃的时候，将氚气储存腔内的氚气通过排气管，放入中子管内腔；通过真空计的示数监视氚气被吸收的过程；氚气刚刚进入中子管内部时，中子管内真空度会迅速下降，真空平衡后，关闭氚气腔体阀门；继续加热靶基，靶基的温度在超过430℃附近的时候，靶基开始吸收氚气，持续地加热氚靶，真空计的示数会快速升高，直到达到一个平衡点；温度的上下变化对管内真空度不再产生任何影响，说明靶已经吸气饱和；这时停止加热，让中子管的管体自然降温到常温。

进一步，采用全部的金属医用级高真空管件制作真空系统，采用分子泵结合离子泵的设计，真空系统的极限工作真空度可以达到10^-9pa；避免了玻璃器件的使用；中子管断开与真空系统连接的时候，采用机械方式截断排气管；中子管内的真空可以保持在10^-7pa以上；中子管工作时内部真空保持在10^-5pa以上。

本发明的有益效果：

本发明提出的中子管直径可控制在15-20mm范围内，通过专门的工艺制作过程，可以制作直径小于25mm的中子发生器。中子产额大于1x10⁸中子/秒；有效使用寿命大于常温条件下1000小时；抗震性能好，价格易于接受。满足了石油测井、危险品检测和医疗应用等要求；并且通过减低中子管的设计复杂度，降低成本，对各个部件进行优化整合，提高产成品率，降低了单品的生产成本。

附图说明

图1为发明的结构示意图。

图中，1-电极、2-排气管、3-铜头、4-上面罩、5-氢同位素储存器、6-接地柱、7-气室、8-阴极、9-磁钢、10-阳极、11-电子整形环、12-耐高压分段绝缘密封壳ⅰ、13-加速筒、14-靶、15-下面罩、16-阳极罩、17-耐高压分段绝缘密封壳ⅱ、18-耐高压分段绝缘密封壳ⅲ。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例和附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种超小型中子管的制作方法，包含以下步骤：

步骤1)按照常规的工艺制作完成电极，排气管，铜头，上面罩，氢同位素储存器，接地柱，由阴极、磁钢、阳极、电子整形环、加速筒和阳极罩构成的离子源，耐高压陶瓷密封绝缘壳部件，靶，下面罩的安装，形成中子管的主体；按照安装顺序，依次把各个部分焊接为一个整体，耐高压陶瓷绝缘密封壳和金属之间需要进行金属化和封接，在中子管靶基体的内表面上制作好靶膜；

步骤2)对中子管主体进行加热排气处理，通过排气管排气时，与排气管连接的真空管道也要同时加热排气；

步骤3)中子管主体加热排气完成以后，将加热温度降至180-200℃，如果需要制作纯氚靶，则进行下两步，否则跳过；

步骤4)采用一套外置加热套管制成的加热环对靶底部的靶基进行加热，该套管将下面罩、以及面罩与陶瓷封接处上部20mm包含在内，采用同一速度进行加热；

步骤5)此时，如果真空计的示数已经接近于排气结束时的真空示数，说明管内的氚气已经被完全吸收；如果真空计示数与排气结束时的真空示数差距较大，则说明中子管内残留的氚气还很多，加热氢同位素储存器，对管内的氚气进行吸收，管内真空会回到排气结束时的状态；氚靶制作完成，备用；

步骤6)停止对靶的加热，整个中子管主体温度降为室温；

步骤7)通过计量真空室，向中子管内注入氘氚混合气体，然后加热氢同位素储存器对氘氚气体进行吸气，吸气饱和后，真空计的标度稳定下来；

步骤8)打开排气系统，将中子管内废气排掉，将真空继续升至10^-7帕的高真空；

步骤9)剪断排气管，将管内真空锁定在10^-7-10^-6帕之间，即制成内含氚靶的成品中子管；

步骤10)如果不需要预制纯氚靶，则在中子管下台以后，进行预定规程的老练过程，将靶炼制成氘氚混合靶，维持稳定的输出产额。

实施例

一种超小型中子管的制作方法，包含以下步骤：

步骤1)按照常规的工艺制作完成电极，排气管，铜头，上面罩，氢同位素储存器，接地柱，由阴极、磁钢、阳极、电子整形环、加速筒和阳极罩构成的离子源，耐高压陶瓷密封绝缘壳部件，靶，下面罩的安装，形成中子管的主体；按照安装顺序，依次把各个部分焊接为一个整体，耐高压陶瓷绝缘密封壳和金属之间需要进行金属化和封接，在中子管靶基体的内表面上制作好靶膜，中子管的主体管壁制作较薄，金属封接端面的加热应力效应明显。

铜头3焊接在上面罩4的上部内壁上，电极1焊接在铜头3上，上面罩4的下部焊接有阴极8，阴极8内放置磁钢9，阴极8与铜头3之间形成气室7，气室7内安装有氢同位素储存器5，接地柱6位于气室7内，其下端与阴极8连接为一体，上端与铜头3焊接；排气管2焊接在铜头3的中部，与气室7连通，排气管2焊接之前进行退火处理。同位素储存器5可以有一至两个，采用锆材料制成的氢同位素储存器5，对氘氚气体都有很强的吸气能力，通过调整氢同位素储存器5的电流，来调整氢同位素储存器5的温度，达到控制氢同位素储存器5吸气和放气的目的。

通过在气室7内安装氢同位素储存器5，能够保证上面罩4、耐高压分段绝缘密封壳ⅰ12、耐高压分段绝缘密封壳ⅱ17、耐高压分段绝缘密封壳ⅲ18、靶14的外径在15-20mm范围内，采用该中子管可以制作直径25mm以内的中子发生器。本发明切实减小中子管的直径，采取陶瓷绝缘密封管、金属外壳等器件外径完全一致的设计，可以方便地加工和设计小直径的中子发生器。可以满足石油测井、危险品检测和医疗应用等要求。同时，两个氢同位素存储器5均放置在气室7内，没有焊接在靶端，避免了造成靶基体周边器件和电路的复杂问题。

耐高压陶瓷密封绝缘壳部件包括耐高压分段绝缘密封壳ⅰ12、耐高压分段绝缘密封壳ⅱ17、耐高压分段绝缘密封壳ⅲ18。三者为直径相同、长短不同的陶瓷绝缘管，它们的长度分别构成了阴极、阳极、和加速筒的内部空间，可以承载的高压达到130kv。

磁钢9为铝铁硼强磁磁铁，磁钢9的磁场构成了离子源主要的引出磁场，保证阴极8的引出磁场为2300高斯。阴极8由导磁材料制成的一体的冷阴极腔体，腔体下端为阴极8的基体，基体下端面为内凹孔设计，该内凹孔为阴极8的纵向离子引出中心孔，有利于离子束流的引出。

上面罩4的底部与耐高压分段绝缘密封壳ⅰ12封接，耐高压分段绝缘密封壳ⅰ12正下方设置有直径与其一致的耐高压分段绝缘密封壳ⅱ17，耐高压分段绝缘密封壳ⅰ12与耐高压分段绝缘密封壳ⅱ17形成的空腔内安装有阳极罩16，阳极罩16上安装有阳极10；阳极10的中部设置有一个环状金属耳环，耳环的外径与耐高压分段绝缘密封壳ⅰ12、耐高压分段绝缘密封壳ⅱ17外径大小一致，耳环的外耳上下端面分别与耐高压分段绝缘密封壳ⅰ12、耐高压分段绝缘密封壳ⅱ17封接在一起。阳极10采用无磁金属制作而成，阳极10的内部为一个中空的圆筒，阳极10外接阳极引线，供给阳极10电压，阳极罩16的内部空间越大，离子束流的引出越强。

耐高压分段绝缘密封壳ⅱ17的底部与电子整形环11封接，电子整形环11的上端面突起，与阳极10的下缘焊接在一起，电子整形环11的下端与耐高压分段绝缘密封壳ⅲ18的上端封接在一起，电子整形环11采用无磁金属制作而成，电子整形环11采用外加电磁场，保持引出磁场的强度，磁钢9构成的离子源主要的引出磁场通过阴极基体和阳极10在阳极内部建立纵向磁场。电子整形环11外部在中子发生器中，绕接电子线圈，形成电子磁场，用于增强离子束流的引出磁场，满足高产额束流的需求。

耐高压分段绝缘密封壳ⅲ18的内腔内设置有加速筒13，耐高压分段绝缘密封壳ⅲ18的底部与下面罩15的上端焊接，加速筒13为采用无磁金属材料制作的上窄下宽的杯状筒结构，其下端面与下面罩15焊接在一起，共同接负高压。下面罩15内焊接有靶14。所述的靶14是采用无磁和导热性好的金属材料做成的带底金属圆筒结构，带底金属圆筒结构的底部为靶基体，靶基体外径与下面罩15的内径相同，并与下面罩15焊接在一起，靶基体的内端面上封接陶瓷，镀膜成为氢同位素靶。靶的反应端面距离管底约15mm。通过改进发生器的电路设计，可以加工靶底向前的中子发生器，达到单位中子通量高，中子产额稳定，如表一所示。

中子产额和通量与靶向间关系：

测试条件：采用50mm直径中子管，氘氘反应模式中子发生器，采用he3管中子测量器，分别在与靶面垂直的轴向，轴向夹角30度、60度、90度、120度方向上进行测量，测量时长30秒，取平均值：

表一中子产额和通量与靶向间关系：

通过分析可知，由于中子管的靶14为柱状靶，其靶表面要远大于侧面反应截面面积，虽然中子的逸出方向在4π方向上的统计是平均的，但是受反应面积的影响，中子在空间中的分布是不均匀的。由于靶14的结构相似，中子的空间分布具有相似性。通过上表统计可以得出，在垂直于靶面的轴向方向上，中子的产额最高，随着角度的变化，产额产生变化，在与靶面平行的方向上(轴的90度角度上)中子产额最小。产额变化最大的相对大小(以垂直于靶面方向的指标为参考)约为25％。工作电压越高，偏差减小，在102kv时，产额的偏差为10.1％。上面的数据分析说明，在垂直于靶面方向上，中子产额最高，单位面积上的中子通量也要高于其他方向。而且由于本发明中子管的靶前端空间很小，小于20mm，可以保证源到物之间的距离最小。

中子管的主体采用分段设计，中部加装电子整流环，在发生器中增加环状的电磁控制线圈，用于提高潘宁离子源的磁通量，保证离子源引出的通量规模。保证中子的产额。中子产额大于1x10⁸中子/秒；有效使用寿命大于常温条件下1000小时；抗震性能好。

本发明是通过由阴极、磁钢、阳极、电子整形环、加速筒、阳极罩组成的潘宁离子源端接地电位，靶端接负高压电位，靶端再无其他的器件，靶端可以无限接近被测物品，而且在沿着中子管轴线方向上的中子束流是最强的方向，该种中子管特别适合作为中子活化分析用，在危险品检测和中子医疗中具有很强的应用价值；潘宁离子源端密封在中子管的耐高压的陶瓷绝缘密封壳内，耐高压的陶瓷绝缘密封壳的设计为统一标准，均为3mm左右的壁厚，可以承受击穿电压为12-15万之间；因此，采用本发明的中子管制作中子发生器的时候，只要注意高压引线与外壁之间的放电安全，就可以保证中子管的供电安全。该中子管的外径一致，对于25mm外径中子发生器，其内部与中子管外壁之间留有5mm的空间，足够安装高压引线使用。

本发发明通过内置氚靶的制作，可以有效地提高中子管的使用寿命；提高靶的使用效率；提高中子管产额的稳定性。

步骤2)对中子管主体进行加热排气处理，通过排气管排气时，与排气管连接的真空管道也要同时加热排气。

步骤3)中子管主体加热排气完成以后，将加热温度降至180-200℃，如果需要制作纯氚靶，则进行下两步，否则跳过。

步骤4)采用一套外置加热套管制成的加热环对靶底进行加热，该套管将下面罩以及面罩与陶瓷封接处上部20mm包含在内，采用同一速度进行加热。

靶基加热过程中，中子管停止加热，中子管内的热平衡由系统自然维护；靶基对氚气的吸收是一个渐进的过程，外部加热套的温度与氚气吸收过程是非线性的一个映射，所以氚靶的吸收过程采取一个渐进吸收的方式；当加热套的温度达到400度的时候，将氚气储存腔内的氚气通过排气管，放入中子管内腔；通过真空计的示数监视氚气被吸收的过程；氚气刚刚进入中子管内部时，中子管内真空度会迅速下降，真空平衡后，关闭氚气腔体阀门；继续加热靶基，靶基的温度在超过430度附近的时候，靶基开始吸收氚气，持续地加热氚靶，真空计的示数会快速升高，直到达到一个平衡点；温度的上下变化对管内真空度不再产生任何影响，说明靶已经吸气饱和；这时停止加热，让中子管的管体自然降温到常温。

步骤5)此时，如果真空计的示数已经接近于排气结束时的真空示数，说明管内的氚气已经被完全吸收；如果真空计示数与排气结束时的真空示数差距较大，则说明中子管内残留的氚气还很多，加热氢同位素储存器，对管内的氚气进行吸收，管内真空会回到排气结束时的状态；氚靶制作完成，备用。

步骤6)停止对靶的加热，整个中子管主体温度降为室温。

步骤7)通过计量真空室，向中子管内注入氘氚混合气体，然后加热氢同位素储存器对氘氚气体进行吸气，吸气饱和后，真空计的标度稳定下来。

步骤8)打开排气系统，将中子管内废气排掉，将真空继续升至10^-7帕的高真空。

步骤9)剪断排气管，将管内真空锁定在10^-7-10^-6帕之间，即制成内含氚靶的成品中子管。

步骤10)如果不需要预制纯氚靶，则在中子管下台以后，进行预定规程的老练过程，将靶炼制成氘氚混合靶，维持稳定的输出产额。

传统工艺的中子管制作中，采用的是玻璃真空系统，排气管也采用玻璃管道，剪断的时候较为容易。此工艺受玻璃漏率的限制，中子管内部能够到达的最高真空为10-4pa。当中子管处于工作状态时，储存器会向管内释放氘氚气体，管内的实际工作真空一般保持为10-3pa左右，粒子轰击靶，并释放出中子的过程，副产物为he气体和靶上内含的一些杂质，随着中子管工作，真空度不断地下降，也就是杂质越来越多。

以38mm中子管为标准样品，在不考虑中子管工作期间，杂质和杂气的影响，这个影响相对较小。只考虑同位素储存器释放氘氚气体，使得真空降低，导致放电的发生的真空度与放电间关系的实验，

表二：真空度与杂质关系表

由上表可见，随着中子管内真空度的提升，放电时的真空度有所降低，这与管内杂质的减少有一定关系。真空度的提高，对中子管放电有明显的改善作用，中子管的总体静真空度越高，其放电时的真空度越低。如表中所示：如果最高静真空在1.0x10^-2pa，放电时的真空度为4.2x10^-2pa，而静真空达到1.0x10^-7pa时，放电时的真空度降低为7.3x10^-2pa。同时有效的工作区间加宽到4.5x10^-4～6.3x10^-2，中子管的工作有效区间更大。超小型中子管的内部空间被压缩，由于要制作更小直径的发生器，器件与发生器外筒之间的间距也变小，很容易导致放电而损坏。内部留给电压的绝缘处理的空间和氢同位素允许活动空间更小。同等条件下，24mm直径的中子管，氘氚气体释放的时间变短，真空度下降较快，而且最低放电真空度减低到9.8x10^-2pa。受腔内容积的限制，超小型中子管的工作真空范围也缩减到8.7x10^-4～4.5x10^-3，10^-5pa的静真空是正常工作的极限，否则将无法保证产额要求和稳定性。

采用全部的金属医用级高真空管件制作真空系统，采用分子泵结合离子泵的设计，真空系统的极限工作真空度可以达到10-9pa；避免了玻璃器件的使用；排气管是中子管与真空系统之间的接口，是中子管内不工作真空保证的关键环节；采用无氧黄铜材料制备排气管；排气管与上面罩焊接在一起；排气管焊接之前进行退火处理；中子管断开与真空系统连接的时候，采用机械方式截断排气管；中子管内的真空可以保持在10-7pa以上；中子管工作时内部真空保持在10-5pa以上；整个中子管使用过程中，中子管内最低真空不会低于10-3pa；为中子管的安全工作和有效的使用寿命提供了保障。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。